發(fā)布時間：2017-12-13 11:17

  本文關鍵詞：基于成形尋峰技術的大動態(tài)范圍PMT讀出ASIC研究

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【摘要】：大型高海拔空氣簇射觀測站(LHAASO,Large High Altitude Air ShowerObservatory)是國家發(fā)改委十二五計劃中計劃建設的大型科學裝置,其瞄準宇宙線的起源問題,開展高能物理和天文學領域的前沿科學研究。水契倫科夫探測器陣列(WCDA, Water Cherenkov Detector Array)是LHAASO的一個重要組成部分,總面積約達8萬平方米,要求對3000多個光電倍增管(PMT, Photon Multiplier Tube)進行讀出。為了獲得高精度的寬能譜的測量,WCDA的讀出電子學要求在1～4000光電子(P.E., Photon Electron)大動態(tài)范圍內進行高精度時間和電荷測量。其中,電荷測量精度要求好于30%@1 P.E.,3%@4000 P.E.,在1～4000全動態(tài)范圍內時間精度要求好于0.5 ns RMS。為簡化讀出電子學結構、提升可靠性,本論文針對WCDA讀出要求,基于放大成形、模數變換結合數字尋峰技術開展了大動態(tài)范圍的PMT讀出ASIC研究,并分別進行了前端放大成形ASIC和后端模擬-數字變換器(ADC, Analog-to-Digital Converter) ASIC原型電路的設計。本論文的結構組織如下。第一章首先介紹了LHAASO及其中WCDA的研究背景以及WCDA讀出電子學的整體結構,然后探討了基于ASIC技術實現前端模擬電路集成的方案及其優(yōu)勢,并概述了論文的工作內容。第二章包含物理實驗讀出電子學中典型的時間和電荷測量方法的調研和綜述,并著重分析了一些代表性的PMT (PhotoMultiplier Tube)讀出ASIC,討論比較了它們的技術路線和性能指標,此部分工作為本論文的ASIC設計提供了重要參考。第三章針對WCDA使用的PMT信號特征和讀出要求,提出基于ASIC技術實現的前端讀出電子學設計方案。時間測量基于前沿定時結合時間-數字變換實現;電荷測量基于模擬信號放大成形、模數變換和數字尋峰邏輯實現。用于時間數字化的TDC和數字尋峰邏輯可以方便基于可編程器件FPGA (Field Programmable Gate Array)設計實現,而本論文則針對此方案中的核心電路,探索了放大成形電路和ADC電路的ASIC設計方法,并分別進行了原型ASIC的設計。第四章詳細介紹了放大成形ASIC的設計和仿真結果,包括輸入級電路、前放、成形電路、輸出buffer和甄別器等核心電路的實現與優(yōu)化。并通過系統仿真評估了此ASIC的性能指標。第五章主要闡述了ADC ASIC的設計和仿真結果。為實現低功耗的設計,本論文采用了逐次逼近寄存器結構(Successive Approximation Register, SAR)來實現ADC。 ADC ASIC的核心模塊包括電容DAC、動態(tài)比較器和異步SAR控制邏輯。這些模塊的設計和優(yōu)化均基于速度、精度和功耗的平衡與優(yōu)化。前仿真結果表明ADC ASIC在30-40 MSPS的采樣率下有效位(ENOB, Effective Number ofBit)好于10 bit,核心電路單通道功耗為6.6 mW。后仿真結果中ENOB為9.7bit。第六章介紹了上述兩種ASIC的實驗室測試結果。放大成形ASIC的測試結果表明,其動態(tài)范圍覆蓋4000倍,時間甄別精度好于300 ps,電荷精度好于10%@ 1 P.E.,1%@ 4000 P.E.。 ADC ASIC測試結果表明,其穩(wěn)定工作的采樣速度可以達到31.25 Msps,在2.4MHz輸入信號下ENOB好于9 bit,在15.5 MHz輸入信號下有效位約8.6 bit,作為第一版ASIC原型設計,已達到階段性目標。在未來工作中將在此基礎上進行進一步的改進和優(yōu)化。最后一章總結了論文的研究工作,并展望了下一步在此方向上的研究計劃。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH75
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本文編號：1284953